Application of ductile fracture models in computational simulation of manufacturing operations

Tato diplomová práce je úvodem do problematiky tvárného lomu za velkých plastických deformací a jeho výpočtové simulace. V teoretickém úvodu je rozebrána podstata explicitní metody konečných prvků (MKP), jako dominantního výpočtového nástroje v této oblasti. Diplomové práce dále zhodnocuje nynější stav vědeckých poznatků a možností simulací tvárného porušení. Je zpracována přehledná tabulka použitelných kritérií, z nichž jsou vybrána nejvhodnější, která jsou detailně popsána. Je snahou přiblížit i problematiku implementace zmíněných kritérií ve formě uživatelských podprogramů (subroutin) do komerčních programů MKP. Těžiště práce je obsahem kapitol 7-9, kde jsou aplikována dvě vybraná kritéria tvárného porušení (kritérium ekvivalentního lomového přetvoření a Johnson-Cook) na výpočtovou simulaci technologické operace střih. Výpočty byly provedeny v programovém systému ABAQUS/Explicit 6.5.1 a k jejich verifikaci byl proveden experiment.This diploma thesis is an introduction to the ductile fracture under large plastic deformations and is focused to numerical simulation of this type of problems. Explicit finite element method (FEM) is discussed in theoretical introduction as the most powerful tool for numerical calculations in this area. Actual state of research and possibilities of ductile fracture simulations are presented. Applicable fracture criteria are collected in a summary sheet and the most important ones are selected and commented in detail. The problem of implementation of selected criteria into commercial FEM packages is discussed, too. Main part of the work is presented in chapters 7÷9 where two ductile fracture criteria (Equivalent Fracture Strain and Johnson-Cook) are applied to numerical simulation of material cutting. All results were obtained with ABAQUS/Explicit 6.5.1 and their verification was realized by experimental measurement.

Computational Prediction of Ductile Fracture

Problematika (numerické) predikce tvárného porušení řeší v podstatě dva typy úloh. První a dnes nejrozšířenější skupina výpočtů je cílena na prevenci iniciace tvárného porušení. Druhý typ úloh lze charakterizovat jako cílené porušování, např. obrábění, stříhání, atd. K výraznému rozvoji problematiky došlo v posledních desetiletích díky vývoji a lepší dostupnosti k výkonným výpočetním a experimentálním nástrojům. Uspokojivý popis tvárného porušení při víceosém proporcionálním a neproporcionálním zatěžování však doposud chybí. Tato práce svým zaměřením pomohla objasnit některé neznámé a přispěla k pochopení chování vybraných materiálů při laboratorní teplotě a kvazistatickém zatěžování. Pro studium tvárného porušení byla vybrána austenitická ocel AISI 316L. Na ní byly provedeny jednoosé tahové zkoušky hladkých a vrubovaných vzorků, pěchovací zkoušky hladkých válečků a válečků s důlkem, dále zkoušky vzorků typu motýlek, zkoušky vrubovaných trubek a penetrační zkoušky. Z výsledků experimentu bylo kalibrováno pět jednodušších kritérií (ekvivalentní lomové přetvoření, Johnson-Cook, zjednodušený Bao-Wierzbicki, Rice-Tracey, RTCL ) a pět tzv. univerzálních kritérií (Bai-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki, EMC, LOU, KHPS). Detailněji je řešena problematika penetračních testů nazývaná Small Punch Test (SPT). Ta potenciálně umožňuje stanovení mechanických vlastností materiálů z řádově menšího objemu materiálu než standardní zkoušky. Jedná se o perspektivní nástroj zpřesňující posuzování při prodlužování životnosti komponent v provozu. Provedena byla důkladná citlivostní analýza. Vytvořena a odladěna byla inverzní úloha SPT s využitím optimalizačního programu OptiSLang pro získání mechanických vlastností přímo z křivky SPT. Dosaženo bylo pouze 2% odchylky při určení meze kluzu a 6% odchylky od meze pevnosti získaných z tahových zkoušek. Navrženo bylo několik úprav geometrie penetračního vzorku pro kalibraci univerzálních kritérií. Kalibrovaná univerzální kritéria byla použita při simulaci porušení 3D modelu SPT. Nejlepší výsledky vykazují kritéria KHPS a EMC.The issue of ductile damage prediction can be generally divided in two types of tasks. The first one is to preventing the initiation of ductile damage with is most common group of calculation today. The second task can be described as aimed damaging, such as machining, cutting, etc. The significant development of this issue occurred in recent decades by help of development and access to powerful computational techniques and new experimental possibilities. However, the behaviour of ductile damage at multiaxial proportional and non-proportional loading is insufficiently described. This thesis helped to clarify some of the unknown this topic. It contributed to the understanding of selected materials behaviour at room temperature and quasistatic loading. Austenitic stainless steel AISI 316L was selected for detail study of ductile damage. A large number of experiments were performed on this material, such as uniaxial tensile tests of smooth and notched specimens, upsetting tests of smooth cylinder and special cylinder with dimple, butterfly specimens, notched tube specimens and penetration tests. Experimental results is used for calibration of five so-called simple criteria, taking into account fracture strain and stress triaxiality (Equivalent fracture strain, Johnson-Cook, simplify Bao-Wierzbicki, RT, RTCL) and universal criteria (Bai-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki, EMC, LOU, KHPS). SPT potentially enable the determination of actual mechanical behaviour using only a fraction of specimen volume compared to standard specimen. It is promising tool to improve accuracy when assessing working life of components in operation. The inverse numerical simulation loop of SPT was designed using program OptiSLang on the basis of detailed sensitivity analysis. It was achieved 2% deviation of yield strength and 6% deviation of ultimate strength obtained from tensile tests. A several modification of SPT specimen was suggested for universal criteria calibration of small material volume. The 3D numerical model was built for numerical simulation with ductile damage simulation. The criteria KHPS and EMC gave the most accurate results.

towards intelligent autonomous sorting of unclassified nuclear wastes

Sorting of old and mixed nuclear waste is an essential process in nuclear decommissioning operations. The main bottleneck is manual picking and separation of the materials using remotely operated arms, which is slow and error prone especially with small items. Automation of the process is therefore desirable. In the framework of the newly funded European project ECHORD++, experiment RadioRoSo, a pilot robotic cell is being developed and validated against industrial requirements on a range of sorting tasks. Industrial robots, custom gripper, vision feedback and new manipulation skills will be developed. This paper presents application context, cell layout and sorting approach

Computational Prediction of Ductile Fracture

Problematika (numerické) predikce tvárného porušení řeší v podstatě dva typy úloh. První a dnes nejrozšířenější skupina výpočtů je cílena na prevenci iniciace tvárného porušení. Druhý typ úloh lze charakterizovat jako cílené porušování, např. obrábění, stříhání, atd. K výraznému rozvoji problematiky došlo v posledních desetiletích díky vývoji a lepší dostupnosti k výkonným výpočetním a experimentálním nástrojům. Uspokojivý popis tvárného porušení při víceosém proporcionálním a neproporcionálním zatěžování však doposud chybí. Tato práce svým zaměřením pomohla objasnit některé neznámé a přispěla k pochopení chování vybraných materiálů při laboratorní teplotě a kvazistatickém zatěžování. Pro studium tvárného porušení byla vybrána austenitická ocel AISI 316L. Na ní byly provedeny jednoosé tahové zkoušky hladkých a vrubovaných vzorků, pěchovací zkoušky hladkých válečků a válečků s důlkem, dále zkoušky vzorků typu motýlek, zkoušky vrubovaných trubek a penetrační zkoušky. Z výsledků experimentu bylo kalibrováno pět jednodušších kritérií (ekvivalentní lomové přetvoření, Johnson-Cook, zjednodušený Bao-Wierzbicki, Rice-Tracey, RTCL ) a pět tzv. univerzálních kritérií (Bai-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki, EMC, LOU, KHPS). Detailněji je řešena problematika penetračních testů nazývaná Small Punch Test (SPT). Ta potenciálně umožňuje stanovení mechanických vlastností materiálů z řádově menšího objemu materiálu než standardní zkoušky. Jedná se o perspektivní nástroj zpřesňující posuzování při prodlužování životnosti komponent v provozu. Provedena byla důkladná citlivostní analýza. Vytvořena a odladěna byla inverzní úloha SPT s využitím optimalizačního programu OptiSLang pro získání mechanických vlastností přímo z křivky SPT. Dosaženo bylo pouze 2% odchylky při určení meze kluzu a 6% odchylky od meze pevnosti získaných z tahových zkoušek. Navrženo bylo několik úprav geometrie penetračního vzorku pro kalibraci univerzálních kritérií. Kalibrovaná univerzální kritéria byla použita při simulaci porušení 3D modelu SPT. Nejlepší výsledky vykazují kritéria KHPS a EMC.The issue of ductile damage prediction can be generally divided in two types of tasks. The first one is to preventing the initiation of ductile damage with is most common group of calculation today. The second task can be described as aimed damaging, such as machining, cutting, etc. The significant development of this issue occurred in recent decades by help of development and access to powerful computational techniques and new experimental possibilities. However, the behaviour of ductile damage at multiaxial proportional and non-proportional loading is insufficiently described. This thesis helped to clarify some of the unknown this topic. It contributed to the understanding of selected materials behaviour at room temperature and quasistatic loading. Austenitic stainless steel AISI 316L was selected for detail study of ductile damage. A large number of experiments were performed on this material, such as uniaxial tensile tests of smooth and notched specimens, upsetting tests of smooth cylinder and special cylinder with dimple, butterfly specimens, notched tube specimens and penetration tests. Experimental results is used for calibration of five so-called simple criteria, taking into account fracture strain and stress triaxiality (Equivalent fracture strain, Johnson-Cook, simplify Bao-Wierzbicki, RT, RTCL) and universal criteria (Bai-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki, EMC, LOU, KHPS). SPT potentially enable the determination of actual mechanical behaviour using only a fraction of specimen volume compared to standard specimen. It is promising tool to improve accuracy when assessing working life of components in operation. The inverse numerical simulation loop of SPT was designed using program OptiSLang on the basis of detailed sensitivity analysis. It was achieved 2% deviation of yield strength and 6% deviation of ultimate strength obtained from tensile tests. A several modification of SPT specimen was suggested for universal criteria calibration of small material volume. The 3D numerical model was built for numerical simulation with ductile damage simulation. The criteria KHPS and EMC gave the most accurate results.

Computational Prediction of Ductile Fracture

The issue of ductile damage prediction can be generally divided in two types of tasks. The first one is to preventing the initiation of ductile damage with is most common group of calculation today. The second task can be described as aimed damaging, such as machining, cutting, etc. The significant development of this issue occurred in recent decades by help of development and access to powerful computational techniques and new experimental possibilities. However, the behaviour of ductile damage at multiaxial proportional and non-proportional loading is insufficiently described. This thesis helped to clarify some of the unknown this topic. It contributed to the understanding of selected materials behaviour at room temperature and quasistatic loading. Austenitic stainless steel AISI 316L was selected for detail study of ductile damage. A large number of experiments were performed on this material, such as uniaxial tensile tests of smooth and notched specimens, upsetting tests of smooth cylinder and special cylinder with dimple, butterfly specimens, notched tube specimens and penetration tests. Experimental results is used for calibration of five so-called simple criteria, taking into account fracture strain and stress triaxiality (Equivalent fracture strain, Johnson-Cook, simplify Bao-Wierzbicki, RT, RTCL) and universal criteria (Bai-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki, EMC, LOU, KHPS). SPT potentially enable the determination of actual mechanical behaviour using only a fraction of specimen volume compared to standard specimen. It is promising tool to improve accuracy when assessing working life of components in operation. The inverse numerical simulation loop of SPT was designed using program OptiSLang on the basis of detailed sensitivity analysis. It was achieved 2% deviation of yield strength and 6% deviation of ultimate strength obtained from tensile tests. A several modification of SPT specimen was suggested for universal criteria calibration of small material volume. The 3D numerical model was built for numerical simulation with ductile damage simulation. The criteria KHPS and EMC gave the most accurate results

Ductile Fracture Criteria in Prediction of Chevron Cracks

Abstract. Selected ductile fracture criteria are introduced and applied to prediction of chevron crack initiation and development during forward extrusion of long shafts. We present the calibration of selected criteria for carbon steel, simulate the process of forward extrusion and compare the simulation results with real experiments realized in a cooperating industrial company